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详解5G与4G、3G的不同之处

详解5G与4G、3G的不同之处-在几年间,数据传输率的增加让用户享受高速行动网络新体验,3G、4G、5G 的议题热度也始终居高不下,并跃居产官学研等单位的研究主题。但是一般人对 4G 乃至于 5G 的

  智能型手机的面世除了带动举动代代的兴起,更加快通讯技能的改造,在几年间,数据传输率的添加让用户享用高速举动网络新体验,3G4G5G 的议题热度也一直居高不下,并跃居产官学研等单位的研讨主题。可是一般人对 4G 乃至于 5G 的认知,便是手机上网的速度更快,并不了解背面的科学含义,本文将从不同通讯代代的视点切入,一步步带领读者知道这些技能背面的原理,究竟什么是电磁波?什么是带宽?不同代代的不同又在哪里?

  移动电话的代代

  咱们常常听到广告说:4G LTE,其间 G 代表「代(GeneraTIon)」,4G 代表第四代,是为了与之前的第二代(2G)、第三代(3G)移动电话做出区隔,咱们以现在全球市占率最高的欧洲体系来阐明,这也是现在台湾所运用的体系:

  ·第二代移动电话(2G):GSM 体系只支撑线路交流(注)的语音信道,首要透过语音信道打电话与传送简讯,GPRS 体系支撑分组交流因而能够上网,可是因为运用语音信道传送数据封包,因而上网的速度很慢。

  ·第三代移动电话(3G):UMTS 体系支撑分组交流(注),能够用更快的速度上网,因为 3G 的手机一同支撑 2G ,因而当咱们运用 3G 的手机讲电话或传简讯时,其实是运用 GSM 体系的语音信道来完结。

  · 第四代移动电话(4G):LTE / LTE-A 体系支撑分组交流,能够用更快的速度上网,因为 4G 的手机大多一同支撑 3G 与 2G,因而在手机找不到 LTE 基地台时依然会以 UMTS 基地台上网,讲电话或传简讯时依然是运用 GSM 体系的语音信道来完结。

  其实 4G 运用的 LTE 体系因为数据传输率很高,能够直接将语音数据切割成封包来传送,原理就和 Skype 网络电话相同,能够让音质更好,可是分组交流一般费用是以数据传输率来核算,等于运用者讲再久费用都相同,对电信公司来说怎样收到更多钱是个问题;反观线路交流是计时收费,电信公司能够赚到更多钱,因而现在台湾大部份电信公司的 4G LTE 供给讲电话或传简讯时,依然是运用 GSM 体系的语音信道来完结。

  带宽的科学含义

  一般人对通讯代代的认知便是愈后边的代代表明带宽(Bandwidth)愈宽,带宽就好像高速公路,带宽愈宽就好像高速公路愈寛(车道愈多),代表行车速度愈快,也便是通讯时数据传输率愈高;再讲简略一点,便是手机上网的速度更快,这样的观念是对的,可是这种认知是不科学的,要解说带宽,咱们需要从电磁波说起。

  无线通讯传递前言:电磁波

  电磁波(ElectromagneTIc wave)是由相互笔直的「电场(Electric field)」与「磁场(MagneTIc field)」交互作用而发生的一种「能量(Energy)」,这种能量在行进的时分就像水波相同会按照必定的频率不停地振荡,如图1(a)所示。电磁波每秒钟振荡的次数是「频率(Frequency) 」,单位为「赫兹(Hz)」,假定某一个电磁波一秒钟振荡 2 次,则频率为 2Hz,如图1(b)所示;一秒钟振荡 4 次,则频率为 4Hz,如图1(c)所示,例如:无线局域网络(Wi-Fi)与蓝牙(Bluetooth)的通讯频率为 2.4GHz,意思便是它运用的电磁波每秒钟振荡 24 亿次(在这儿 G 的意思是 Giga,也便是 Billion,代表 10 亿,不是前面 3G、4G、5G 的那个 G)。

  

  图1:电磁波的界说。(a)电磁波是由相相互互笔直的电场与磁场交互作用而发生的能量;(b)每秒钟振荡 2 次则频率为2Hz;(c)每秒钟振荡 4 次则频率为4Hz。

  世界里天然存在的一切电磁波如图2(a)所示,咱们称为「电磁波频谱(Spectrum) 」,由图中能够看出中心的部分是光(Light),包含:红外光(Infrared,IR)、可见光(人类肉眼能够看见的光)、紫外光(Ultraviolet,UV),因而光是一种电磁波;右边为频率更高(能量更高)的电磁波;左面为频率更低(能量更低)的电磁波,因为频率较低的电磁波比较安全,并且具有杰出的绕射特性,因而合适用来做为无线通讯运用。

  

  图2:电磁波频谱与运用。(a)电磁波频谱;(b) 通讯电磁波频谱。

  现在用来做为无线通讯的电磁波如图2(b)所示,包含:

  ·频率大约 100G~1GHz 的电磁波:一般运用在卫星通讯、卫星定位、雷达与微波通讯等,而频率 30GHz 以上(相当于波长 10 毫米以下)的电磁波称为「毫米波(Millimeter Wave)」,现在有公司方案运用在 5G 的通讯体系中。

  ·频率大约 100M~1MHz 的电磁波:一般运用在无线电视、举动通讯(GSM / GPRS)、调幅播送(AM)、业余无线电、调频播送(FM)等。

  ·频率大约 100K~1KHz 的电磁波:一般运用在航空无线电、海底电缆、电话与电报等。

  无线通讯传递通道:带宽

  带宽(Bandwidth)是用来传递信号的「频率规模」,单位与频率相同为「赫兹(Hz)」,并且每一对通讯用户有必要运用「不同的频率规模」来通话,假定:

  ·甲和乙运用频率 900~900.2MHz 的电磁波通话(带宽 900.2-900=0.2MHz);

  ·丙和丁运用频率 900.2~900.4MHz 的电磁波通话(带宽 900.4-900.2=0.2MHz);

  ·此刻咱们说这个通讯体系的语音信道带宽为 0.2MHz。

  手机并不会分辩究竟是谁和谁在通话,而是接纳某一个「频率规模(带宽)」的电磁波信号,因而甲与乙通话时手机都接纳频率 900~900.2MHz 的电磁波,丙与丁通话时手机都接纳频率 900.2~900.4MHz 的电磁波,换句话说,一切的通讯组件都是「只认频率不认人」,并且相同频率规模的电磁波只能运用一次,不能重复运用,否则会相互搅扰。

  带宽与数据传输率的差异

  「带宽(Bandwidth)」与「数据传输率(Data rate)」的含义很相似,常常让咱们混杂,这儿简略阐明它们之间的不同:

  ·带宽(Bandwidth)是模仿通讯运用的名词:由图一能够看出,电磁波是一种接连的动摇能量,既然是接连的当然必定是模仿信号,因而「带宽(Bandwidth)」和它的单位「赫兹(Hz)」指的都是电磁波的物理特性。

  · 数据传输率(Data rate)是数字通讯运用的名词:手时机先将咱们说话的声响(接连的模仿信号)先转换成不接连的 0 与 1 两种数字信号,再经由天线传送出去。数据传输率的单位「每秒位数(bps:bit per second)」,代表每秒能够传送几个位,也便是每秒能够传送几个 0 或 1,例如:1Gbps(1G = 10 亿)代表每秒能够传送 10 亿个位(10 亿个 0 或 1)。

  数据传输率是数字通讯时实践传送每个位数据的速率,重点是数字信号让咱们能够运用不同的调变与多任务技能,使相同带宽的介质具有更高的数据传输率,这便是现在许多新的通讯技能,例如:3G 运用的 WCDMA、4G 运用的 OFDM 等被创造出来的原因,后边会再具体阐明。

  在前文中,咱们了解到无线通讯的频谱有限,分配十分严厉,相同带宽的电磁波只能运用一次,例如 2G 的 GSM900 体系运用频率规模 890~960MHz,则其他的无线通讯就不能再运用这个频率规模,否则会相互搅扰。为了处理人多粥少的难题,工程师研宣布许多技能,来扩增频谱的运用率,例如 TDMA、FDAM、CDMA、OFDM,而在这些杂乱技能的背面,只需能把握两个基本概念,就能了解整个通讯技能的开展要害。

  这两个基本概念为「调变技能」(ModulaTIon)与「多任务技能」(Multiplex)。其间调变技能是将模仿电磁波调变成不同的波形,来代表 0 与 1 两种不同的数字信号,这样才干运用天线传送到很远的当地(这儿只谈数字调变技能,不评论前期的 AM、FM 这种模仿调变技能)。多任务技能则是将电磁波区别给不同的运用者运用,因为手机有必要规划给一切的人运用,当每支手机都把电磁波丢到空中,该怎样区别那个电磁波是谁的呢?

  数字调变技能(Digital modulation)

  现在的手机是归于「数字通讯」,也便是咱们说话的声响(接连的模仿信号),先由手机转换成不接连的 0 与 1 两种数字信号,再经由数字调变转换成电磁波(模仿信号载着数字信号),最终从天线传送出去,原理如图3所示。

  

  图3:数字通讯示意图。(Source:the noun project)

  电磁波是接连的能量,怎样运用电磁波替咱们传送这些0与1的数字信号呢?因而科学家创造了下列 4 种数字调变技能:

  1.振幅位移键送(ASK):运用电磁波的「振幅巨细」载着数字信号(0 与 1)传送出去,振幅小代表 0,振幅大代表 1,图4(a)所示。

  2.频率位移键送(FSK):运用电磁波的「频率凹凸」载着数字信号(0 与 1)传送出去,频率低代表 0,频率高代表 1,图4(b)所示。

  3.相位位移键送(PSK):运用电磁波的「相位不同(波形不同)」载着数字信号(0 与 1)传送出去,相位 0° 代表 0,相位 180° 代表 1,图4(c)所示。

  4.正交振幅调变(QAM):一同运用电磁波的「振幅巨细」与「相位不同(波形不同)」载着数字信号(0 与 1)传送出去,这个图形比较杂乱有爱好的人能够参阅这儿。

  

  图4:数字信号调变技能。(a)ASK:振幅小代表 0,振幅大代表 1;(b)FSK:频率低代表 0,频率高代表 1;(c)PSK:相位 0° 代表 0,相位 180° 代表 1。

  数字调变技能的长处包含能够侦错与除错、能够紧缩与解紧缩、能够加密与解密、更好的抗噪声才干等,咱们所运用手机 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS、4G 的 LTE / LTE-A、无线局域网络(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)等都是运用数字调变,明显数字通讯是开展的趋势。

  传送端将数字信号(0 与 1)转变成不同的电磁波波形称为「调变(Modulation)」;同理,接纳端将不同的电磁波波形还原成数字信号(0 与 1)称为「解调(Demodulation)」,一切的通讯设备一般都有必要一同支撑传送(调变)与接纳(解调),因而科学家把担任调变与解调的组件称为「调变解调器」,英文就把「Modulation」与「Demodulation」的字头组合成一个新单字「Modem」,下回只需听到 Modem 就知道它是在做通讯用的组件啰!

  多任务技能(Multiplex)

  多人一同运用一条信息信道的办法称为「多任务技能」(Multiplex),简略的说,天空只要一个,你的手机要丢电磁波出去,我的手机也要丢电磁波出去,两种电磁波在天空中混在一同,接纳端该怎样区别那些是你的(和你通话的),那些是我的(和我通话的)呢?

  多任务技能的意图便是让一切人运用,并且相互不能相互搅扰,为了添加数据传输率,或许有必要一同运用两种以上的多任务技能,才干满意每个人都要运用的需求。无线通讯常见的多任务技能包含下列 4 种:

  1.分时多任务接取(TDMA):运用者按照「时刻先后」轮番运用一条信息信道,如图5(a)所示,现在 2G 的 GSM / GPRS 体系有运用 TDMA。

  2.分频多任务接取(FDMA):用户按照「频率不同」一同运用一条信息信道,如图5(b)所示,前面介绍每一对运用者有必要运用「不同的频率规模」来通话,其实便是 FDMA,现在 2G 的 GSM / GPRS、3G 的 UMTS 有运用 FDMA。

  3.分码多任务接取(CDMA):将不同用户的数据别离与特定的「暗码(Code)」运算今后,再传送到数据信道,接纳端以不同的暗码来分辩要接纳的信号,如图5(c)所示。现在 3G 的 UMTS 有运用 CDMA。

  4. 正交分频多任务(OFDM):前面介绍过分频多任务(FDMA)是用户按照「频率不同」一同传送数据,而 OFDM 原理相似,仅有不同的是有必要运用相互「正交」的频率,这个原理比较杂乱有爱好的人能够参阅这儿,现在 4G 的 LTE / LTE-A、无线局域网络(IEEE802.11a/g/n)、数字电视(DTV)、数字音频传输(DAB)有运用 OFDM。

  

  图5:多任务技能(Multiplex)。(a)TDMA:按照时刻先后轮番运用;(b)FDMA:按照频率不同一同运用;(c)CDMA:将不同用户的数据别离与特定的暗码运算。

  多任务技能的比方

  多任务技能比较杂乱,咱们能够幻想在房子里,甲与乙要说话,丙与丁要说话,戊与己要说话:

  ·分时多任务接取(TDMA):甲与乙先讲一句,再换丙与丁讲一句,再换戊与己讲一句,依此类推,咱们轮番(分时)说话相互就不会相互搅扰。

  ·分频多任务接取(FDMA):甲与乙在客厅说话,丙与丁在书房说话,戊与己在卧室说话,咱们在不同的房间(分频)说话相互就不会相互搅扰。

  · 分码多任务接取(CDMA):甲与乙用中文说话,丙与丁用英文说话,戊与己用日文说话,这样尽管咱们在同一个房子里说话,各自依然能够分辩出各自不同的言语,当甲与乙用中文说话时,丙与丁的英文以及戊与己的日文仅仅声响搅扰而己,不会形成甲与乙解读中文的困扰;同理,当丙与丁用英文说话时,甲与乙的中文以及戊与己的日文仅仅声响搅扰而己,不会形成丙与丁解读英文的困扰,在这个比如里「用不同的言语说话」就好像「用不同的暗码加密」相同。

  4G 与 5G 的技能开展意图:添加频谱功率与带宽

  「频谱功率」(Spectrum efficiency)是单位带宽(Hz)具有多少数据传输率(bps),可参阅表 1 的阐明,当单位带宽的数据传输率高,代表频谱功率高,例如:LTE 能够供给上传 2.5bps/Hz,下载 5bps/Hz;LTE-A 能够供给上传 5bps/Hz,下载 10bps/Hz,明显 LTE-A 的频谱功率比 LTE 高。因而 4G 与 5G 技能的开展只为了两个意图:

  添加频谱功率

  因为相同的频率只能运用一次,因而有必要运用更新的调变与多任务技能来添加频谱功率,让相同带宽的电磁波具有更高的数据传输率,也便是把更多的 0 和 1 塞进相同带宽的电磁波里来传送。

  添加带宽

  因为现在的电磁波频谱里 10GHz 以下的电磁波大部分都现已被用掉了,频谱功率再怎样进步总有技能上的极限,因而科学家只能去挖更高频还没有被运用的电磁波来给 5G 手机用,咱们现在理解为什么 Samsung 的 5G 技能会想要运用频率 30GHz(相当于波长 10 毫米)的「毫米波(Millimeter Wave)」了吧!相关的新闻请参阅这儿。

  

  表 1:数字通讯体系的频谱功率比较表

  注:表 1 中的频谱功率是直接以数据传输率除以信道带宽,可是不同代代的通讯体系运用不同的技能,这个并没有考虑进去,因而表中不同代代应该分隔来比较才有含义。

  人多粥少,无线通讯的运用执照与频谱分配

  经由前面的介绍能够发现,无线通讯的频谱十分宝贵,人多粥少,因而运用执照费也比较高。那么是由谁来决议那一种体系运用那一个频率规模才不会重复呢?国内的无线通讯频谱现在是由国家通讯传达委员会(NCC)办理,每一家体系业者(例如:中华电信、台湾大哥大、远传电信等)都有必要先向 NCC 获得运用执照才干运营无线通讯事务,因为无线通讯的频谱十分宝贵,能够运用的频率规模有限,所以运用执照有限,一般会以公开招标的方法让出价最高的电信业者获得运用执照,这便是上一年的「第四代(4G)举动宽带事务释照」。

  不只如此,因为咱们咱们是同享同一个空间,假如无线通讯设备恣意宣布频率不正确的信号会搅扰到其他通讯设备,因而一切的无线通讯设备,包含咱们运用的手机与无线局域网络(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)等产品都有必要先进行测验合格才干够上市出售。

  注:线路交流与分组交流

  线路交流(Circuit switch):是指传送端与接纳端之间先树立一条专用的联机再进行通讯,传统的「语音通讯(Telecom)」都是归于线路交流,例如:国内电话与世界电话、移动电话等在通话之前都有必要先拨号,等交流机将电话接通之后才干通话,便是运用线路交流的方法,一般费用是以「运用时刻」核算,例如:拨打市内电话或移动电话,运用愈久费用愈高。

  分组交流(Packet switch):是指传送端与接纳端之间同享一条线路,有必要先即将传送的数据切割成许多较小的「封包(Packet)」再进行通讯,现在的「数据通讯(Datacom)」都是归于分组交流,用户要传送的数据愈多,则封包数目愈多,传送的时刻愈长,核算机网络在通讯之前并不需要拨号,只需将网络线衔接即可运用,便是运用分组交流的方法,一般费用是以「数据传输率」来核算,例如:中华电信的 ADSL,不同数据传输率费用不同,可是运用时刻没有约束。

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